Los biorreactores y su desarrollo
La historia del desarrollo de los antibióticos es un ejemplo impresionante de cómo la microbiología y la biotecnología industrial evolucionaron durante un período prolongado de tiempo mediante acciones conjuntas entre la investigación académica y el desarrollo de productos. El descubrimiento original en 1929 por Alexander Fleming del efecto antibiótico de un cultivo de Penicillium se realizó en una serie de pasos para amplificar el rendimiento y la actividad de los cultivos transferidos a la producción a gran escala. Y otros científicos de renombre como Howard Florey, Ernest Chain, Norman Heatley, Marvin Johnson y otros en estrecha colaboración con compañías farmacéuticas lograron identificar, estabilizar, explotar, seleccionar cepas, explotar genéticas, métodos de mutación y, finalmente, establecer a gran escala de bioproducción en biorreactores para satisfacer las necesidades médicas globales para curar infecciones. Este último sí desafió las habilidades de ingeniería para comprender la optimización en el diseño y el funcionamiento del biorreactor. También dio abundantes ejemplos de cómo el conocimiento y las habilidades de un grupo de productos podrían transferirse a otros y, de esa manera, allanar el camino para otros antibióticos como las cefalosporinas, estreptomicinas y aminoglucósidos.
Estos esfuerzos y experiencias contribuyeron sustancialmente a facilitar el próximo desarrollo de bioprocesos de productos bioterapéuticos. Sin lugar a dudas, el concepto de intensificación del proceso impulsó el desarrollo, aunque el término aún no se había acuñado.
En paralelo con el progreso del desarrollo de antibióticos, se realizaron otros productos microbianos primarios y secundarios. Estos incluían aminoácidos (por ejemplo, glutamato y lisina) y ácidos orgánicos (por ejemplo, vitaminas) utilizados como ingredientes alimentarios y productos químicos básicos y alcanzaron considerables volúmenes de producción. Los polímeros microbianos, como el xantano y los polihidroxialcanoatos, son otros ejemplos de desarrollo de bioprocesos a mediados de los años cincuenta.
La fabricación de proteínas, especialmente las enzimas industriales, se convirtió relativamente pronto en parte de la biotecnología industrial con sitios de producción a gran escala en unas pocas empresas especializadas. En estos procesos de mayor escala, se alcanzaron hallazgos y experiencias muy importantes con respecto al diseño y operación de lo fermentadores. Aunque aún no se estaba explotando la transferencia de genes entre especies para estas proteínas, se logró un desarrollo tecnológico significativo para su uso posterior. Posteriormente, surgiría el uso industrial emergente de células animales. El cultivo a gran escala, a densidades celulares más bajas que los hongos y las levaduras, y representó un desafío para la ingeniería de biorreactores.
Con los avances de Köhler y Milstein (1975) en la expresión de anticuerpos monoclonales en el cultivo de células de hibridoma y la subsiguiente configuración de los sistemas de reactor de cultivo de células para la producción, surgió una nueva época que ha impactado enormemente en la biotecnología industrial y la bioingeniería. Inició un arte de tecnología de cultivo en el que las condiciones y procedimientos para el funcionamiento de un cultivo celular mostraron una serie de limitaciones necesarias que se deben superar para que el procesamiento sea industrialmente factible.
Sin embargo, fue la ingeniería genética y la tecnología de ADN recombinante las que crearon una revolución en el campo de la biotecnología industrial con productos macromoleculares de células, primero en bacterias y levaduras y posteriormente en células animales y humanas. La industria fue proactiva y eficiente en la transformación de la ciencia en actividad empresarial. En los años posteriores, siguieron productos bioterapéuticos exitosos como: insulina, eritropoyetina, interferones, hormonas de crecimiento, factores de coagulación sanguínea, interleuquinas y otros que llegaron al mercado terapéutico con tiempos de desarrollo relativamente cortos, a pesar de los requisitos reglamentarios y la multitud de condiciones de producción novedosas que abarcan desde consideraciones clínicas hasta una nueva metodología de fabricación. Especialmente, este último encarnó numerosos desafíos para que el bioprocesamiento y la ingeniería de biorreactores se desenredaran.
Los últimos pasos en la ingeniería de biorreactores están relacionados con la producción celular y las aplicaciones con productos de medicina regenerativa y células madre pluripotentes. Ciertamente, esto ha tenido implicaciones en el diseño de fermentadores en términos de nuevos y diversos requisitos para realizar la transformación celular, incluida la diferenciación celular, la expansión y la maduración, y un mayor tiempo de proceso en comparación con el procesamiento anterior. Las demandas de controlabilidad de los biorreactores para estos fines son mayores debido a los tipos de células más vulnerables, el comportamiento de crecimiento más complicado y las operaciones sustancialmente diferentes. Esto aborda nuevamente los problemas críticos de la transferencia de masa y las barreras de oxígeno, nutrientes y esterilidad de los cultivos.